IPL-Magazin 38 | Januar 2017 | Autor: Dr. Matthias Pfeffer

3D-Fertigungsverfahren

Im Wesentlichen werden heute 3 additive Fertigungsverfahren genutzt, deren Unterschied von den eingesetzten Materialien bzw. deren Form geprägt werden. 

3D-Druck mit Pulver

Dr. Matthias Pfeffer

Beim 3D-Druck mit Pulver wird in einer Maschine eine dünne Schicht des Pulvermaterials – das kann Kunststoff oder auch Metall, Keramik oder Sand sein – im Arbeitsraum ausgebreitet. Ein Hochleistungslaser oder ein Elektronenstrahl schmelzt das Material punktgenau an den Stellen, an denen das Bauteil schichtweise entstehen soll. Anschließend wird wieder eine Schicht loses Pulver aufgetragen und der Prozess beginnt von vorn. Der Prozess läuft in einer Schutzatmosphäre oder im Vakuum ab, um Sauerstoffeinschlüsse und -reaktionen zu vermeiden und so die Bauteilqualität zu erhöhen. Der Bauraum wird auf knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Materials aufgeheizt, damit das Verfahren entsprechend schneller ablaufen kann.

Die Schichtdicken liegen üblicherweise zwischen 0,02 mm und 0,1 mm. Wandstärken von unter einem Millimeter sind realisierbar. Es lassen sich Geschwindigkeiten von etwa 20 mm Höhenzuwachs pro Stunde erreichen. Je nach Bauraum – dieser liegt in dem Bereich bis zu 500 x 500 x 700 mm – kann die Geschwindigkeit variieren bzw. es können mehrere Produkte gleichzeitig hergestellt werden. Auf die Verwendung von Stützmaterial kann verzichtet werden, da der Bauraum komplett mit Pulver gefüllt ist. Das überschüssige Pulver muss nach der Bauteilfertigung und dem Abkühlen des Bauteils mit dem umschließenden Pulver manuell vom Bauteil entfernt werden. Anschließend kann es direkt wiederverwendet werden. Dieses Fertigungsverfahren wird für die direkte Bauteilherstellung genauso wie für den Formen- oder Protypenbau eingesetzt. Jedoch ist die Oberflächenrauheit, die von der Feinheit des Pulvers und der Genauigkeit der Laserpositionierung abhängt, zu beachten. Dieses macht häufig eine Nacharbeitung, z. B. durch Polieren oder Schleifen der Bauteiloberfläche, notwendig.

 

3D-Druck mittels geschmolzener Materialien

In diese Kategorien fallen die weitverbreiteten 3D-Drucker, die es bis in den privaten Bereich geschafft haben. Dabei wird das Material in dünnen Fäden – den Filamenten – der Druckdüse zugeführt. Diese schmelzt das Material ähnlich einer Heißklebepistole und verklebt es so mit dem bereits bestehenden Material. Das Bauteil wächst auch hier schichtweise. Dabei ist es prinzipiell möglich, die Schmelzdüse zu bewegen oder das Bauteil unter der Düse zu verfahren.

Die Geschwindigkeit des Druckens hängt stark vom Material ab. Die nächste Schicht kann erst aufgetragen werden, wenn die Ebene darunter ausreichend abgekühlt und ausgehärtet ist. Die Qualität und Präzision wird zum einen durch die Stärke des Filaments mit der dazugehörigen Düse bestimmt, zum anderen von der Genauigkeit der Bewegung. Dabei werden üblicherweise Schichtdicken von 0,1 mm bis 0,3 mm realisiert. Ein solcher Ausdruck kann schon mal 12 Stunden und mehr dauern. Das hängt ganz von der Größe des Bauteils, des Materials und der Feinheit der Schichten ab. Kommen mehrere Druckköpfe zum Einsatz, so lassen sich Materialverbünde, unterschiedliche Farben oder auch Produkt und Stützstruktur gleichzeitig drucken. Die Stützstrukturen werden aus anderen Materialien gedruckt, die sich anschließend entweder ausspülen oder durch leichte Erwärmung entfernen lassen.

Der Bauraum hängt ganz von der mechanischen Konstruktion der Düsenpositionierung bzw. der Positionierung der Unterlage ab. Bei sehr großen Bauteilen, bei denen vielleicht die Massgenauigkeit nicht zu kritisch ist, können auch Roboter die Düse führen.

Gedruckt werden können auch zähflüssige Materialien, so dass auch Beton oder Lebensmittel in ähnlichen Verfahren in Form gebracht werden können.

Insgesamt ist dieses Verfahren das günstigste 3D-Druckverfahren. Die Einsatzmöglichkeiten sind durch das Material beschränkt. Oftmals werden Designmuster, Prototypen aber auch Formen für Kleinserien so hergestellt.

 

3D-Druck von flüssigen Materialien

Der 3D-Druck mit flüssigen Materialien – Stereolithographie – ist die älteste Form des 3D-Drucks. Sie ähnelt stark dem 3D-Druck mit pulverförmigen Materialien. Statt Pulver wird hier ein flüssiger Kunststoff verwendet, der durch Licht aushärtet. Dieser photoreaktive Kunststoff wird schichtweise aufgetragen. Ein Laser belichtet die Stellen, die später das Bauteil bilden sollen. Anschließend wird der Bauraum um eine Schicht abgesenkt, wieder mit Flüssigkeit bedeckt und erneut die nächste Schicht belichtet.

Neueste Entwicklungen haben die Stereolithographie weiter optimiert. In einem neuen, vom Startup Carbon3D entwickelten Verfahren wird das Bauteil nach oben aus dem Kunststoffbad gezogen. Der Laser härtet das Material an der Oberfläche. Der spezielle Prozess ermöglicht die Herstellung von Bauteilen in Sekunden oder wenigen Minuten. Dabei steigt die Festigkeit durch den besseren Übergang zwischen den Schichten und die Detailgenauigkeit kann erhalten bleiben.

Wie bei allen Stereolithographie-Prozessen bedarf es Stützstrukturen für überhängende Bauteilbereiche. Diese müssen nach dem finalen Aushärten in einer Belichtungskammer mechanisch z. B. durch Fräsen oder Laserschneiden entfernt werden.

Die Schichtdicke beträgt in der Regel 0,05 mm bis 0,15 mm. Neben den photoreaktiven Kunststoffen werden auch Kunststoffbäder mit Keramikpartikeln eingesetzt. Dabei hält der Kunststoff die Keramikteile in Form. In einem Brennprozess verschmelzen die Keramikteile während der Kunststoff verbrennt.

Weiterentwicklungen in diesem Umfeld ersetzen den Laser durch andere Lichtquellen, die entsprechend kostengünstiger in der Herstellung und im Betrieb sind.

Auch Mischformen, z. B. der Auftrag von flüssigen Materialien durch eine feine Düse und die Aushärtung durch eine am Druckkopf angebrachte UV-Leuchte, sind möglich und werden je nach Material und Einsatzzweck genutzt.

 

Wie Sie zu Ihrem gedruckten Bauteil gelangen

Wie schön wäre es, einfach die technische Zeichnung des Bauteils in den 3D-Drucker zu laden, Start zu drücken und kurze Zeit später halten Sie das fertige Teil in der Hand. Ganz so einfach geht es (noch) nicht.

 

Vorbereitung

Die Vorbereitung des 3D-Drucks beginnt bereits in der Konstruktion. Zwar gewinnt die Konstruktion neue Freiheitsgrade bei der Bauteilentwicklung, aber dafür müssen Sie dort ein paar vorbereitende Tätigkeiten durchführen:

  1. Planen der Orientierung des Bauteils beim Druck. Beachten Sie den Bauraum und die Höhe. Gerade beim Lasersintern sind flache Geometrien schneller und effizienter in der Herstellung als hohe Bauteile. Wollen Sie nur ein Bauteil oder gleich mehrere Bauteile drucken? Handelt es sich um einzelne Teile oder verbundene, ineinander integrierte Einzelteile?

  2. Ableiten von speziellen Datenformaten für die spätere Weiterverarbeitung der Zeichnungsdaten.

  3. Aufbereiten der Daten durch eine Software, die ein Schichtmodell des Bauteils erstellt. Daraufhin werden mögliche notwendige Stützstrukturen mit geplant und in das Modell integriert

 

Nachbereitung

Jetzt erfolgt der 3D–Druck. Doch damit ist die Teilefertigung nicht abgeschlossen. Nach dem Druck müssen die Teile noch nachgearbeitet werden. Weitere Prozesse folgen:

  1. Je nach eingesetzter Technologie entstehen zusätzliche Arbeitsschritte. Beim verbreiteten 3D-Druck müssen Stützstruktur durch mechanische Nachbehandlung entfernt werden. Gegebenenfalls. lassen sich diese auch durch Wasser auswaschen. Beim Lasersintern muss das überschüssige Pulver vorsichtig entfernt werden. Durch die Nutzung spezieller Arbeitsplätzen ist es so möglich, das Material auch wiederzuverwenden.

  2. Härten des Bauteils nach der Herstellung. Metall- oder Keramikteile werden in einem anschließenden Härteprozess verfestigt. Auch Kunststoffteile benötigen eine gewisse Ruhezeit um die endgültige Festigkeit zu erreichen.

  3. Mechanische Nachbehandlung der Oberfläche. Da das Bauteil aus einzelnen feinen Schichten entsteht ist die Oberfläche nicht so glatt wie bei konventionell hergestellten Bauteilen. Daher müssen diese noch mittels Fräsen, Schleifen, Polieren oder Lasernachbehandlung finalisiert werden.

  4. Veredeln der Oberfläche. Abschließend findet wie bei den klassisch hergestellten Teilen die Veredelung der Oberfläche z. B. durch Beschichtung statt.

 

Gerade bei der Modellierung des zu druckenden Bauteils gibt es auch die Möglichkeit, einen 3D-Scan zu verwenden. Dieses Verfahren eignet sich besonders bei der Herstellung von Ersatzteilen. Bei Ersatzteilen für ältere Maschinen liegen selten 3D-Daten vor. Teilweise sind 3D-Scanner bereits in die 3D-Drucker integriert, so dass hier die Datenmodellierung und die anschließende Teilherstellung in einem System und damit aufwandsarm durchgeführt werden können.

 

So führen Sie 3D-Druck in Ihrem Unternehmen ein

Abb. 1: Hohe Variantenvielfalt auf Knopfdruck
Abb. 1: Hohe Variantenvielfalt auf Knopfdruck | Foto: © prescott09 / Fotolia

Prinzipiell müssen Sie sich die Frage stellen, wer die treibende Kraft in ihrem Unternehmen für die additive Fertigung sein wird: Konstruktion oder Produktion. Daraus ergeben sich zwei grundsätzlich unterschiedliche Einführungsstrategien mit ihren Vor- und Nachteilen:

Die Konstruktion legt neue Teiledesigns auf die Möglichkeiten der 3D-Drucktechnologie aus. Das ist zunächst sehr zeitintensiv, bringt aber auch die größten Potenziale bei Stabilität, Leichtbau sowie die Reduzierung der Teileanzahl und Montageaufwände. Neue Teile kommen dann in die Produktion, die in der 2. Stufe in die additive Fertigung einsteigt. Ein Übergang mit Dienstleistern ist hier möglich.

Prototypen oder Ersatzteile werden in der Fertigung schrittweise mit additiven Verfahren hergestellt. Dabei sammeln Sie in der Produktion schnell Erfahrungen und Wissen, die Sie dann an die Konstruktion schrittweise weitergeben können. Diese werden dann in neuen Teiledesigns einzelne Elemente nach und nach auf additive Fertigung hin optimieren. Dabei spielen die Potenziale der Fertigung anfänglich eine größere Rolle.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Tiefe der Integration in Ihre Wertschöpfung. Je tiefer diese Integration ausfällt, desto höher sind die Investitionen und auch das Risiko. Nutzeneffekte fallen aber ebenfalls höher aus. Hier müssen Sie ganz klar die Partner der Lieferkette sowie die Teilevielfalt und -komplexität mit berücksichtigen. Neben Konstruktion und Fertigung muss auch die Qualitätssicherung frühzeitig und begleitend in die Einführung eingebunden werden.

 

Folgende Richtlinien sollten Sie beachten

Der 3D-Druck wirkt wie eine neue innovative Fertigungstechnologie. In Wahrheit gibt es additive Fertigung schon seit über 30 Jahren. So ist es auch nicht verwunderlich, dass es in dem Umfeld Normen und Richtlinien gibt, die allerdings ständig überarbeitet und mit modernen Entwicklungsfortschritten bereichert werden. Die folgenden Richtlinien sollten Sie kennen, wenn Sie sich mit dem Thema 3D-Druck beschäftigen wollen:

VDI 3404

In der VDI 3404 werden Begriffe und Verfahren der additiven Fertigung definiert und beschrieben. Dabei werden die einzelnen Verfahren gegeneinander abgegrenzt und Einsatzbereiche sowie Qualitätsmerkmale beschrieben. Zusätzlich werden Prüfmöglichkeiten und notwendige Prüfverfahren genannt und beschrieben. Damit ist die Richtlinie eine wichtige Basis für den Einstieg und die Ausschreibung sowie Einführung von Additiver Fertigung in die eigene Produktion.

VDI 3405

Enthält ergänzend zur VDI 3404 neben Begriffsdefinitionen und einem Überblick über Qualitätsstandards auch genaue Verfahrensbeschreibung z. B. für das Lasersintern von Kunststoffen, dem Strahlschmelzen von Metallen sowie vergleichende Gegenüberstellungen. Neben dem einzelnen additiven Fertigungsverfahren werden auch Nachbereitungsprozesse sowie Prüfprozesse beschrieben.

VDI 6224

Auch wenn in dieser Richtlinie nicht direkt auf additive Fertigung eingegangen wird, so beschreibt die VDI 6224 die bionische Optimierung auf Basis von natürlichen Wachstumsprozessen zur Strukturfestigkeitsoptimierung. Hier werden Strukturen beschrieben, die einen Leichtbau ermöglichen ohne an Festigkeit zu verlieren. Diese Strukturen sind insbesondere mit additiver Fertigung zu erstellen.